DE3826634A1 - Taktiler sensor - Google Patents

Description

In Düsenabstands-Regelungen für Leistungslaser können kapazi­ tive Sensoren, die als Spitze einer Laserdüse ausgebildet sind, zumeist nur bei metallischen oder sehr gut leitenden Werkstoffen verwendet werden.

Soll der Abstand der Düse bei der Bearbeitung von Kunststof­ fen, die elektrisch schlechte Leiter sind, durch die Ab­ standsregelung über Sensorik konstant gehalten werden, so lassen sich dafür taktile, also berührende Sensoren verwen­ den.

Es ist üblich, mechanische Fühleranordnungen zu verwenden, die auf der Oberfläche der Werkstücke schleifen und deren relative Stellung zu der Düse über ein oberhalb der Düse befindliches und über den beweglichen taktilen Sensor ange­ triebenes Wandlerelement, beispielsweise ein Schiebepotentio­ meter oder ein induktiver Lagegeber, in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Dieses stellt somit die Auslenkung des taktilen Fühlers aus seiner Ruhelage dar.

Es sind auch taktile Sensor-Zusatzanordnungen für kapazitive Abstandssensoren bekannt, die aus einem ringförmigen, auf dem Werkzeug schleifend betriebenen taktilen Fühler bestehen, der federnd aufgehängt ist und der sich gegenüber der kapazitiven Elektrode, zum Beispiel einer ringförmig um die Düse herum oberhalb des Werkstücks angeordneten Elektrode, bewegen kann. Der Abstand zwischen der kapazitiven Ringelektrode und dem ringförmigen taktilen Schleifer stellt bei solchen Anordnun­ gen den Ersatz für den Abstand zwischen metallischem Werk­ stück und kapazitiver Ringelektrode dar. Die Abstandsänderung zwischen taktilem Ring und kapazitiver Elektrode bei Annähe­ rung oder Entfernung des Werkstücks relativ zur Düsenspitze wird somit auch bei Kunststoff-Werkstücken in entsprechende kapazitive Änderungen der Sensoranordnung übertragen.

Solche zusätzlichen taktilen Sensoranordnungen beanspruchen jedoch im Vergleich zur Düse selbst relativ viel Platz um die Düse herum. Wenn die Werkstückformen durch Hohlkehlen, Schrägflächen relativ zur Düsenachse oder durch seitliche, nahe zur Schneidfuge verlaufende Erhöhungen, wie dies beson­ ders bei Teilen im Automobilbau auftritt, gekennzeichnet sind, so ist der Einsatz solcher zusätzlicher taktiler Senso­ ren wegen ihrer Grösse und auch wegen ihrer Massenträgheit bei hohen Schneidgeschwindigkeiten nicht möglich.

Die neue Sensoranordnung ermöglicht es, auch solche Werk­ stücke aus Kunststoffen oder nichtleitenden Materialien tak­ til zu erfassen, die durch ihre besonderen Oberflächenformen den bisher bekannten taktilen Sensoren nicht zugänglich sind.

Diese Anordnung ist als Zusatz zu Leistungs-Laserdüsen ausge­ bildet, die z.B. mit kapazitiven Sensoren in Form der Düsen­ spitze ausgerüstet sein können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also einen einfach und platzsparend aufgebauten, sowie universell einsetzbaren tak­ tilen Sensor zu schaffen, der betriebssicher und verschleiss­ arm arbeitet.

Diese Aufgabe löst die Erfindung in erster Linie gemäss Kenn­ zeichen von Anspruch 1.

Kurze Sensor-Hülsen oder in geeigneter Weise konzentrisch zur Brennerdüse angeordnete Sensorkäfige lassen sich durch eine Feder lagern; hilfsweise kann auch die Hülse bzw. der Käfig in einer Gleitführung zusätzlich zur Feder geführt werden, um Seitenversatz zu vermeiden.

Die Auslenkung der Sensor-Hülse bzw. des Käfigs relativ zur Düse lässt sich dabei besonders einfach ermitteln, wenn die Sensor-Hülse bzw. der Käfig derart angeordnet ist, dass die Oberfläche der Sensor-Hülse und des Düsenkörpers bzw. der Elektrode eine elektrische Kapazität zueinander darstellen.

Die Lagerung und Auslenkung der Hülse des Käfigs lässt sich besonders einfach, stabil und leicht auslenkbar gestalten, wenn die Feder-Elemente wenigstens aus drei, in der Federebe­ ne um 120° versetzt angeordnete, federnde Verbindungsstege zwischen Hülse (und Sensorkörper) aufweisen. Ein Feder-Ele­ ment kann dabei ersichtlicherweise ein z.B. aus einer Scheibe ausgestanztes Bauteil sein, oder auch aus einzelnen, in einer Ebene angeordneten Teil-Feder-Segmenten gebildet sein, die jeweils die Verbindungsstege zwischen Hülse/Käfig und fest­ stehendem Sensorkörper bilden.

Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Teilschnitt durch eine Brennerdüse mit ange­ bautem Sensor mit den Merkmalen der Erfindung;

Fig. 2 das bei Fig. 1 verwendete Feder-Element in ver­ grössertem Maßstab;

Fig. 3 einen Fig. 1 entsprechenden Sensor konzentrisch zu einer Brenner-Düse im nach oben ausgelenkten Zu­ stand, bei welchem lediglich die Feder-Elemente in Einzel-Feder-Segmente unterteilt sind, und

Fig. 4 ein Feder-Element gemäss Fig. 3.

Als Beispiel für die Erfindung ist in Fig. 1 ein taktiler Zusatz für eine schlanke Leistungslaser-Düse gezeigt.

Fig. 1 zeigt den Düsenkörper 1 mit der Kupfer-Düsen-Elektro­ de 6. Ein Sensorkörper 3 wird von unten her auf den Düsenkör­ per 1 aufgeschoben und mittels Klemme 4 befestigt; er kann also vorteilhaft jederzeit ausgetauscht oder nachträglich angebracht werden. Einstellschrauben 2 dienen zur Ausrichtung und zum Einstellen der konzentrischen Lage. Im Sensorkörper 3 ist über die beiden übereinander liegenden Federn 9 ein als Hülsen-Körper 5 ausgebildeter taktiler Fühler gelagert. Die­ ser kann sich in vertikaler Richtung parallel zur vertikalen Achse des Düsenkörpers 1 bzw. der Elektrode 6 bewegen. Als Abstandshalter in vertikaler Richtung für die Federn 9 dienen die Ringe 12 und 13. In der unteren Stellung, d.h. dann, wenn die Hülse 5 ein Werkstück 14 nicht berührt, sind beide Federn 9 leicht vorgespannt und drücken die Hülse 5 mit ihrer Kante 5 a gegen den unteren Anschlag, der durch den Abschlussring 11 dargestellt wird.

Sobald die Hülse 5 mit ihrem unteren Ring 5 b das Werkstück 14 berührt und die Annäherung der Elektrode 6 zum Werkstück 14 hin fortschreitet, wird die Federanordnung 9 nach oben hin ausgelenkt und die Hülse 5 verschiebt sich im unteren Teil gegen den tellerförmigen Ring 6 a der Elektrode 6, welcher mit der Düse 15 nicht-leitend verbunden ist, also eine Kapazität gegen Ring 5 b darstellt. Diese verändert sich entsprechend der Abstandsverringerung zwischen Ring 5 b und Elektrodenring 6 a zu höheren Kapazitäts-Werten hin, wodurch die taktile Annäherung der Hülse durch eine bekannte, nicht dargestellte kapazitive Sensorelektronik in ein elektrisches Signal umge­ setzt werden kann. Das Signal kann z.B. als Analogsignal zur Regelung des Abstands zwischen Elektrode 6 und Werkstück 14 über einen Servoantrieb des Düsenkörpers 15 dienen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Elektrode 6 einerseits durch eine Keramik-Hülse 16 isoliert gegen den Düsenkörper 15 und den Sensorkörper 3 angeordnet ist, und dass die Elektrode 6 ande­ rerseits mittels einer nicht dargestellten elektrischen Lei­ tung an einen Eingang einer Sensorelektronik angeschlossen ist, deren anderer Eingang über Sensorkörper 3 und Federn 9 mit der Hülse 5, speziell mit deren Kapazitäts-Ring 5 b ver­ bunden ist.

Eine bestimmte Auslenkung der Hülse 5 entspricht somit einem bestimmten Düsenabstand zum Werkstück 14. Die Kapazitätsände­ rung kann auch dafür ausgewertet werden, dass der Abstand von Elektrode 6 und Werkstück 14 unabhängig von Oberflächen-Ver­ änderungen konstant bleibt.

Für die Genauigkeit des neuen taktilen Sensors sorgt die besondere Ausbildung der beiden Federn 9 als Ringfedern.

Grundsätzlich können verschiedene Ringfederformen eingesetzt werden. Eine besonders gut geeignete Ringfederkonstruktion ist in Fig. 2 gezeigt. Diese Ringfeder 9 ist beim Ausfüh­ rungsbeispiel einstückig ausgebildet und besteht aus einem Aussen-Ringteil 7 und dem dazu senkrecht zur Federebene be­ weglichen Innen-Ringteil 8 sowie den beide Ringteile ela­ stisch verbindenden Feder-Stege bzw. Verbindungsstege 9 a, die durch Schlitze in der Federscheibe 9 gebildet werden.

Diese Ringfeder 9 besitzt eine hohe Steifigkeit in der Feder­ ebene, und eine durch geeignete Wahl von Materialstärke und Federstreifenbreite in weiten Grenzen variable Federkonstante im rechten Winkel zur Federebene und konzentrisch durch diese hindurch. Durch Verwendung der drei Feder-Stege 9 a wird jedes Kippen bei der axialen Auslenkung vermieden und gleichzeitig grosse Länge und damit grosser Hub der Feder-Stege 9 a gewähr­ leistet. Als Material für die Feder 9 eignen sich sowohl Federstahl als auch Federbronze und andere Materialien mit entsprechenden federnden Eigenschaften, die vorzugsweise elektrisch leitend sind, damit der Kontakt zwischen dem Sen­ sorkörper 3 und der Sensor-Hülse 5 ohne zusätzliche Leitung gewährleistet ist.

Die Sensor-Hülse 5 ist in ihrem unteren Teil durchbrochen. In Fig. 1 ist dies durch eine Durchbrechung 10 verdeutlicht. Damit wird die Möglichkeit gegeben, dass Spritzer des Mate­ rials des Werkstücks 14 beim Bearbeitungsvorgang austreten können.

Die Hülse 5 kann auch im Bereich des Rings 5 b als Ringscheibe ausgebildet und durch vorzugsweise als Käfig mit drei draht­ förmigen Stützen mit den Feder-Elementen 9 verbunden werden. Dadurch kann der Austritt von Spritzern noch weiter verbes­ sert werden. Ausserdem wird die Beobachtung der Schneidfuge im Schneidpunkt erleichtert.

Fig. 3 zeigt diese Käfig-Variante der Hülse 5 mit drei drahtförmigen Stützen 5 c, welche einerseits den Ring 5 b tra­ gen und andererseits an zwei Feder-Elementen 9 befestigt sind. Fig. 3 zeigt dabei die Feder-Elemente 9 in einen um den Betrag h ausgelenkten Zustand. Analog Fig. 2 weist jedes Feder-Element 9 drei um etwa 120° versetzt angeordnete Feder­ stege 9 a auf, die den Sensorkörper 3 mit den Stützen 5 c ver­ binden.

Fig. 4 zeigt ein Feder-Element analog Fig. 2, welches in einzelne aus den Stegen 9 a bestehende Segmente unterteilt ist. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Fig. 3 nur eines dieser Segmente mit der zugehörigen Stütze 5 c darge­ stellt.)

Durch entsprechende konstruktive Ausbildung des Sensorkörpers 3 lässt sich der neue taktile Sensor auch für andere, von der Form der in Fig. 1 gezeigten Düse abweichenden Leistungsla­ ser-Düsen anpassen.

Gemäss Fig. 1 ist der Abschlussring 11 des Sensorkörpers 3 vorzugsweise durch drei Schrauben im Sensorkörper 3 befe­ stigt. Dadurch wird der Austausch der Hülse mit den daran fest montierten beiden Federn 9 sehr einfach ermöglicht. Der äussere Abstands-Ring 12 wird dabei mit herausgezogen; er bildet mit der Hülsen-Federeinheit eine Baugruppe als Aus­ tauschteil.

Anstelle der dargestellten Ringfeder können auch andere zen­ trierende, axial bewegliche ringförmige Feder-Anordnungen, wie z.B. Wellmembranen, eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Taktiler Sensor für Leistungslaser-Düsenbrenner, dadurch gekennzeichnet, dass ein hülsen- oder käfigförmiger und konzentrisch zu einen Düsenkörper (15) angeordneter leichter Fühler (5) in wenigstens einem ringförmigen in einer Ebene angeordneten Axial-Blattfeder-Element (9) gelagert und axial zur Düsen-Längsachse auslenkbar ist.

2. Taktiler Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (5) derart gegenüber wenigstens einem Teil des Sensorkörpers (3) bzw. des Düsenkörpers (15) durch ein elektrisch nicht leitendes Element (16) elek­ trisch isoliert angeordnet ist, und/oder dass die Elek­ trode (6) zum Düsenkörper (15) isoliert angeordnet ist, so dass die Oberfläche des Fühlers (5) und des betreffen­ den Teils des Sensorkörpers (3) bzw. der Kupfer-Elektrode (6) eine Kapazität darstellen.

3. Taktiler Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Fühler (5) in wenigstens zwei, in axialem Abstand zueinander angeordneten Blattfeder-Ele­ menten bzw. Federn (9) gelagert ist.

4. Taktiler Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Fühler (5) ein ringartiges Ele­ ment (5 b) vorgesehen ist, das zusammen mit einer isoliert angeordneten Elektrode (6) eine Kapazität bildet.

5. Taktiler Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder-Elemente bzw. die Federn (9) jeweils wenigstens drei, in der Federebene um etwa 120° versetzt angeordnete, als Teil-Federsegmente ausge­ bildete Feder-Stege (9 a) zwischen Fühler (5) und Sensor­ körper (3) aufweisen.

6. Taktiler Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (9) durch mäanderartig ausgesparte Stege (9 a) aus einer Scheibe (9) gebildet wird, welche Stege (9 a) einen Innenring (8) und einen Aussenring (7) verbinden.